KR100262912B1 - 공명 원주파와 두께 공명을 이용한 얇은 튜브의 직경의 미세 변화 및 두께 측정 방법과 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공명 원주파와 두께 공명을 이용한 얇은 튜브의 직경의 미세 변화 및 두께 측정 방법과 그 장치에 관한 것으로, 그 목적은 센서 전면에 딜레이재를 부착하지 않고 피 측정물의 두께를 초음파 진행시간이 아닌 두께 공명이 발생하는 공명 주파수를 측정하여 두께를 결정하고 튜브 직경의 미세 변화는 튜브 주위를 회전하는 공명 원주파를 이용하여 측정하는 방법과 장치를 제공하는데 있다.

초음파 공명 현상을 이용하여 평균 직경의 미세 변화를 측정하고 두께 공명의 발생 위치 이동을 측정하여 튜브의 평균 직경의 상대적 변화와 튜브 두께를 측정하는 방법과 장치에 관한 것이다.

본 발명의 구성은 얇은 튜브의 직경변화 및 두께 측정장치에 있어서, 송·수신탐촉자 연결된 메니풀레이터와 이를 원격 조정하는 콘트롤러로 된 탐촉자 구동 장치부와; 송신 탐촉자 및 수신 탐촉자 또는 송수신 겸용 탐촉자와 연결되어 송신 탐촉자에 초음파 펄스를 발생시키고 수신 탐촉자로부터 공명된 초음파를 수신하는 펄스발생기 또는 신세사이져와; 수집된 신호를 디지털화 하는 파형디지타이져와; 이로부터 주파수 분석하거나 초음파 사각펄스를 송수신하고 주파수 스윕을 하여 공명 스펙트럼을 측정하는 컴퓨터로 구성된다.

Description

공명 원주파와 두께 공명을 이용한 얇은 튜브의 직경의 미세 변화 및 두께 측정 방법과 그 장치

본 발명은 공명 원주파와 두께 공명을 이용한 얇은 튜브의 직경의 미세 변화 및 두께 측정 방법과 그 장치에 관한 것으로, 초음파 공명 현상을 이용하여 평균 직경의 미세 변화를 측정하고 두께 공명의 발생 위치 이동을 측정하여 튜브의 평균 직경의 상대적 변화와 튜브 두께를 측정하는 방법과 장치에 관한 것이다.

기존 특허인 튜브 외경 측정용 초음파 장치 및 방법(발명특허 공개 번호 93-702657, 한국)은 연속적으로 움직이는 원통형 튜브의 외경을 측정하기 위하여 여러 개의 초음파 센서들이 서로 마주한 한 쌍으로부터 이동시간을 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템이다.

또 다른 특허인 초음파 두께 측정 센서(발명특허 공개 번호96-34981, 한국)는 초음파에 의해서 피측정물의 두께를 측정하는 두께 측정센서에 관한 것으로서, 센서 전면에 딜레이재를 부착하여 지연 에코의 발생을 지연시켜 두께측정 한계치수를 넓힌 방법에 관한 것이다.

상기와 같은 종래 방법 및 장치는 초음파 펄스의 도달 시간 차이를 계산하고, 센서 전면에 딜레이재를 부착하여 두께를 측정해야 하므로 측정방법 및 장치구성이 복잡하다는 단점이 있다. 또한 시간차를 측정하는 기준점을 정확하게 설정하기 어렵기 때문에 그 두께를 정밀하게 측정하기가 어렵다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 센서 전면에 딜레이재를 부착하지 않고 피 측정물의 두께를 초음파 진행시간이 아닌 두께 공명이 발생하는 공명 주파수를 측정하여 두께를 결정하고 튜브 직경의 미세 변화는 튜브 주위를 회전하는 공명 원주파를 이용하여 측정하는 방법과 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 얇은 튜브의 직경 변화 및 두께 측정방법에 있어서, 원통형 튜브에 초음파 펄스를 입사시켜, 튜브의 원주방향으로 회전하는 영차 대칭 (S₀) 공명 원주파를 발생시키고, 이 공명 원주파의 특정 모드는 튜브의 미세 직경 변화와 그 두께 변화에도 불구하고 그 위상속도가 일정한 특성을 갖게 되어 공명 원주파의 위상속도는 그 공명의 위치로부터 결정되므로, 위상속도가 일정한 특정 공명 원주파에 대하여 평균 반경(즉, 내반경과 외반경의 합의 반)이 a_M(즉, a_M= (a₀+ a₁)/2)인 기준 튜브의 공명 위치(f)를 측정하고 튜브의 두께나 직경이 미세하게 변화한 튜브의 원주파 공명 위치(f')를 측정하여 그 공명 위치의 변화 정도로부터 직경이 변화한 튜브의 평균 반경(a_M')을 식 [a_M' = (f/f')a_M]에 의해서 상대적으로 값을 측정한다. 평균 반경의 증가나 감소의 결과가 튜브 두께의 증가 또는 감소를 의미하지 않으므로 튜브 두께 변화는 두께 공명을 이용하여 측정한다. 튜브 두께 공명은 굴절 종파의 반파장이 튜브 두께와 같아질 때 발생하는데 두께 공명 주파수(f_r)를 측정함으로써 튜브 내의 굴절 종파의 속도를 C_L이라 할 때 튜브 두께 d는 다음 식 [d = C_L/ (2 f_r)]에 의해서 측정할 수 있다. 영차 대칭 (S₀) 공명 원주파와 두께 공명을 함께 이용하여 얇은 튜브의 직경의 미세 변화 및 두께 변화를 측정한다.

상기와 같은 본 발명의 다른 목적은 얇은 튜브의 직경변화 및 두께 측정장치에 있어서, 송·수신탐촉자 연결된 메니풀레이터와 이를 원격 조정하는 콘트롤러로 된 탐촉자 구동 장치부와; 송신 탐촉자 및 수신 탐촉자 또는 송수신 겸용 탐촉자와 연결되어 송신 탐촉자에 초음파 펄스를 발생시키고 수신 탐촉자로부터 공명된 초음파를 수신하는 펄스발생기와; 수집된 신호를 디지털화 하는 파형디지타이져와; 이로부터 주파수 분석하거나 초음파 사각펄스를 송수신하고 주파수 스윕을 하여 공명 스펙트럼을 측정하는 컴퓨터로 구성되는 것을 특징으로 하는 영차 대칭 공명 원주파와 두께 공명을 이용한 얇은 튜브의 직경의 미세 변화 및 두께 측정 장치를 제공함으로써 달성된다.

도 1 은 얇은 튜브에 의한 초음파 공명 측정 시험에 대한 개략도이고,

도 2 는 얇은 튜브의 형상에 대한 개략도이며,

도 3 은 얇은 튜브의 미세 직경 변화에 따른 초음파 공명 스펙트럼 그래프이고,

도 4 는 튜브 두께에 의한 초음파 공명 스펙트럼 그래프이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 얇은 튜브에 의한 초음파 공명 측정 시험에 대한 개략도이고,

도 2 는 얇은 튜브의 형상에 대한 개략도이며,

도 3 은 얇은 튜브의 미세 직경 변화에 따른 영차 대칭 (S₀) 초음파 공명 스펙트럼 그래프이고,

도 4 는 튜브 두께에 의한 초음파 공명 스펙트럼 그래프를 도시하고 있는데,

본 발명은 상대두께(튜브의 외반경 대 두께 비)가 12% 미만의 얇은 두께를 갖는 탄성 쉘의 외경 또는 내경의 직경의 미세한 변화를 상대적으로 측정하는 방법으로 얇은 쉘인 튜브 직경의 미세 증가나 감소를 측정할 수 있다.

즉, 얇은 두께의 탄성 쉘의 영차 대칭 (S₀) 공명 원주파는 쉘의 직경의 미세 변화에도 그 위상 속도가 일정한 특성을 갖는데 이 위상 속도는 공명의 위치로부터 결정된다.

그러므로 기준 시편의 S₀공명 위치를 측정하고 칫수가 변화된 시편의 S₀공명 위치를 측정하여 그 변화 정도로부터 쉘의 평균 직경(외경과 내경의 합의 반)의 미세 변화를 상대적으로 측정할 수 있다.

그러나 평균 직경의 증가와 감소로는 쉘 두께의 미세 변화를 정확히 측정할 수 없으므로 쉘 두께는 두께 공명을 이용하여 측정한다. 즉, 튜브 두께 공명은 굴절 종파의 반파장이 튜브 두께와 같아질 때 발생하는데 두께 공명 주파수(f_r)를 측정함으로써 튜브 내의 굴절 종파의 속도를 C_L이라 할 때 튜브 두께 d는 다음 식 [d = C_L/ (2 f_r)]에 의해서 측정한다.

상기와 같은 본 발명을 다시 한번 설명하자면 본 발명은 초음파 공명현상을 이용하여 얇은 두께의 튜브의 미세 직경 변화와 두께 변화에 따른 원주파 공명과 두께 공명의 발생 위치 이동을 측정하여 튜브의 평균 직경의 상대적 변화와 튜브 두께를 측정하는 방법과 장치에 관한 것인데, 튜브에 초음파 공명신호를 발생시키고 영차 대칭 (S₀) 원주파의 공명 위치를 측정함으로써 튜브의 평균직경 변화를 측정하고 두께 공명을 이용하여 튜브 두께를 측정할 수 있다.

즉, 초음파 공명 현상을 이용하여 생성된 영차 대칭 (S₀) 공명 원주파의 위상속도는 두께가 얇은 튜브(상대두께가 12% 미만)의 경우 튜브 두께가 미세하게 변하여도 거의 일정한 특성을 갖게 됨으로 한 개의 송수신 센서 또는 두 개의 송수신 센서로 튜브의 평균 두께의 미세 변화를 상대적으로 측정할 수 있다.

본 발명의 구성은 얇은 튜브의 직경변화 및 두께 측정장치에 있어서,

송·수신탐촉자 연결된 메니풀레이터와 이를 원격 조정하는 콘트롤러로 된 탐촉자 구동 장치부와;

송신 탐촉자 및 수신 탐촉자 또는 송수신 겸용 탐촉자와 연결되어 송신 탐촉자에 초음파 펄스를 발생시키고 수신 탐촉자로부터 공명된 초음파를 수신하는 펄스발생기 또는 신세사이져와;

수집된 신호를 디지털화 하는 파형디지타이져와;

이로부터 주파수 분석하거나 초음파 사각펄스를 송수신하고 주파수 스윕을 하여 공명 스펙트럼을 측정하는 컴퓨터로 구성된다.

또한 프린터 또는 모니터 등의 출력장치에 결과를 출력할 수 있음은 물론이다.

이러한 본 발명의 구성을 이용한 측정방법을 설명하면 다음과 같다.

얇은 튜브의 직경변화 및 두께 측정방법에 있어서,

원통형 튜브에 초음파 펄스를 입사시켜, 튜브의 원주방향으로 회전하는 영차 대칭 (S₀) 공명 원주파를 발생시키고, 이 공명 원주파의 특정 모드는 튜브의 미세 직경 변화와 그 두께 변화에도 불구하고 그 위상속도가 일정한 특성을 갖게 되어 공명 원주파의 위상속도는 그 공명의 위치로부터 결정되므로, 위상속도가 일정한 특정 공명 원주파에 대하여 평균 반경이 a_M인 기준 튜브의 공명 위치(f)를 측정하고 튜브의 두께나 직경이 미세 변화한 튜브의 원주파 공명 위치(f')를 측정하여 그 공명 위치의 변화 정도로부터 직경 또는 두께가 변화한 튜브의 평균 반경(a_M')을 식 [a_M' = (f/f')a_M]에 의해서 상대적으로 값을 측정하고, 튜브 두께 공명은 굴절 종파의 반파장이 튜브 두께와 같아질 때 발생하는데 두께 공명 주파수(f_r)를 측정함으로써 튜브 내의 굴절 종파의 속도를 C_L이라 할 때 튜브 두께 d는 다음 식 [d = C_L/ (2 f_r)]에 의해서 측정하는 방법이다.

또한 본 발명은 원통형 튜브 뿐만 아니라 구형의 쉘에도 적용할 수 있음은 물론이다.

상기와 같은 본 발명은 원통형 튜브의 직경과 두께 변화를 연속적으로 측정 감시할 수 있어서, 압출이나 인발 등의 방법으로 원통형 튜브를 제조할 때에 단일 초음파 센서 하나 또는 두 개로 튜브의 초음파 공명을 측정함으로써 튜브 직경과 두께 변화를 감시할 수 있어 균일한 튜브를 생산할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (2)

1. 얇은 튜브의 직경변화 및 두께 측정방법에 있어서,

   원통형 튜브에 초음파 펄스를 입사시켜, 튜브의 원주방향으로 회전하는 영차 대칭 (S₀) 공명 원주파를 발생시키고, 이 공명 원주파의 특정 모드는 튜브의 미세 직경 변화와 그 두께 변화에도 불구하고 그 위상속도가 일정한 특성을 갖게되어 공명 원주파의 위상속도는 그 공명의 위치로부터 결정되므로, 위상속도가 일정한 특정 공명 원주파에 대하여 평균 반경이 a_M인 기준 튜브의 공명 위치(f)를 측정하고 튜브의 두께나 직경이 미세 변화한 튜브의 원주파 공명 위치(f')를 측정하여 그 공명 위치의 변화 정도로부터 직경 또는 두께가 변화한 튜브의 평균 반경(a_M')을 식 [a_M' = (f/f')a_M]에 의해서 상대적으로 값을 측정하고, 튜브 두께 공명은 굴절 종파의 반파장이 튜브 두께와 같아질 때 발생하는데 두께 공명 주파수(f_r)를 측정함으로써 튜브 내의 굴절 종파의 속도를 C_L이라 할 때 튜브 두께 d는 식 [d = C_L/ (2 f_r)]에 의해서 측정하는 것을 특징으로 하는 공명 원주파와 두께 공명을 이용한 얇은 튜브의 직경의 미세 변화 및 두께 측정 방법.
2. 얇은 튜브의 직경변화 및 두께 측정장치에 있어서,

   송·수신탐촉자 연결된 메니풀레이터와 이를 원격 조정하는 콘트롤러로 된 탐촉자 구동 장치부와;

   송신 탐촉자 및 수신 탐촉자 또는 송수신 겸용 탐촉자와 연결되어 송신 탐촉자에 초음파 펄스를 발생시키고 수신 탐촉자로부터 공명된 초음파를 수신하는 펄스발생기 또는 신세사이져와;

   수집된 신호를 디지털화 하는 파형디지타이져와;

   이로부터 주파수 분석하거나 초음파 사각펄스를 송수신하고 주파수 스윕을 하여 공명 스펙트럼을 측정하는 컴퓨터로 구성되는 것을 특징으로 하는 영차 대칭 공명 원주파와 두께 공명을 이용한 얇은 튜브의 직경의 미세 변화 및 두께 측정 장치.